JP2016092083A - ＧａＮ基板をドリフト層とした縦型ショットキーバリアダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】ＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオードにおいて、大電流化、高耐圧化、小型化を図る。
【解決手段】所定の不純物濃度を有するｎ⁻−ＧａＮ基板の一方の面がＮ面またはＧａ面のいずれかに、他方の面がその逆の面になるように鏡面研磨され、当該一方の面に対してｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、さらに当該ｎ^＋−ＧａＮ層上にオーミック電極を形成し、ｎ⁻−ＧａＮ基板の他方の面にショットキー電極を形成した、ｎ⁻−ＧａＮ基板をドリフト層とするショットキーバリアダイオードであり、ショットキー電極側表面に絶縁膜またはｐ‐ＧａＮ層が形成され、その一部が前記ショットキー電極と重なる構造。
【選択図】図４

Description

本発明は、縦型ショットキーバリアダイオード、特にＧａＮ基板をドリフト層として用いたショットキーバリアダイオードに係る。

ＧａＮ等窒化物半導体をパワーデバイスに用いる場合、大電流化、高耐圧化、小型化等が求められる。Ｓｉ基板上にＧａＮ系膜を形成したデバイスとして、横型のショットキーバリアダイオード構造（図１および図２参照、非特許文献１および非特許文献２参照）が知られている。これらの構造はオーミック電極、ショットキー電極ともに素子表面側に設けており、また電流の流れは横方向（基板面に平行方向）である。そのため、どの構造も製造プロセスが複雑であり、また電流パスが制限され、大きな電流が得られないという問題がある。一方、縦型のショットキーバリアダイオード構造（図３参照、非特許文献３参照）が知られているが、厚膜のｎ⁻−ＧａＮドリフト層を成長するため、コストがかかり、耐圧がｎ⁻−ＧａＮドリフト層の膜厚で支配されるため、大きな耐圧を得ることが困難である。

G. Zhao, W. Sutton, D. Pavlidis, E. Piner, J. W. Schwank and S. Hubbard, A Novel Pt-AlGaN/GaN Heterostructure Schottky Diode Gas Sensor on Si, IEICE Trans. Fundamentals/Commun./Electron./INF.&SYST., Vol. E85-A/B/C/D, No1, p. 1, 2002 Y. Zhang, M. Sun, D. Piedra, M. Azize, X. Zhang, T. Fujishima and T. Palacios, GaN-on-Si Vertical Schottky and p-n Diodes, IEEE Electron Device Letters, Vol. 35, No. 6, pp. 618-620, 2014 Yu Saitoh et al., Extremely Low On-Resistance and High Breakdown Voltage Observed in Vertical GaN Schottky Barrier Diodes with High-Mobility Drift Layers on Low-Dislocation-Density GaN Substrates, Applied Physics Express, 3, p. 081001-1, 2010

本発明の課題は、ＧａＮ基板を用いたショットキーバリアダイオードにおいて、大電流化、高耐圧化、小型化を図ることである。

本発明者らは、基板面に垂直方向に電流を流し、かつ、ＧａN基板内にドリフト層を形成することを創案した。すなわち、本発明によれば、以下のショットキーバリアダイオードが提供される。

［１］ｎ⁻−ＧａＮ基板の一方の面がＮ面またはＧａ面のいずれか一方に、他方の面がその逆の面とし、当該一方の面に対してｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、さらに当該ｎ^＋−ＧａＮ層上にオーミック電極を形成し、ｎ⁻−ＧａＮ基板の他方の面にショットキー電極を形成した、ｎ⁻−ＧａＮ基板をドリフト層とするショットキーバリアダイオード。

［２］ｎ⁻−ＧａＮ基板の不純物濃度が２×１０^１５ｃｍ^−３〜２×１０^１７ｃｍ^−３である、前記［１］に記載のショットキーバリアダイオード。

［３］前記ｎ^＋−ＧａＮ層の不純物濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３である前記［１］または［２］に記載のショットキーバリアダイオード。

［４］前記ｎ⁻−ＧａＮ基板のショットキー電極側表面に絶縁膜またはｐ‐ＧａＮ層が形成され、その一部が前記ショットキー電極と重なる前記［１］〜［３］のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。

［５］ｎ⁻−ＧａＮ基板が、ＨＶＰＥ法、Ｎａフラックス法、あるいはアモノサーマル法のいずれかで製造された前記［１］〜［４］のいずかに記載のショットキーバリアダイオード。

従来の横型ショットキーバリアダイオード構造の断面を示す模式図である。 従来の他の横型ショットキーバリアダイオード構造の断面を示す模式図である。 従来の縦型ショットキーバリアダイオード構造の断面を示す模式図である。 本発明実施例１のショットキーバリアダイオードの断面を示す模式図である。 本発明実施例１のショットキーバリアダイオードの順方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例１のショットキーバリアダイオードの逆方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例２のショットキーバリアダイオードの断面を示す模式図である。 本発明実施例２のショットキーバリアダイオードの順方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例２のショットキーバリアダイオードの逆方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例３のショットキーバリアダイオードの断面を示す模式図である。 本発明実施例３のショットキーバリアダイオードの順方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例３のショットキーバリアダイオードの逆方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例４のショットキーバリアダイオードの断面を示す模式図である。 本発明実施例４のショットキーバリアダイオードの順方向の電流−電圧特性を示す図である。 本発明実施例４のショットキーバリアダイオードの逆方向の電流−電圧特性を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明において基板は、ｎ⁻−ＧａＮ基板であり、ＨＶＰＥ法(Hydride vapor phase epitaxy)、Ｎａフラックス法、あるいはアモノサーマル法のいずれかで製造された結晶を加工して用いる。基板のサイズは、径が２インチ以上、厚みは２００μｍ〜７００μｍであることが好ましい。当該基板は（０００１）面が用いられ、両面ともに鏡面研磨され、一方の面がＧａ面、他方の面がＮ面になるように加工されることが好ましい。当該基板はドリフト層となるため、不純物濃度が２×１０^１５ｃｍ^−３〜２×１０^１７ｃｍ^−３、キャリア移動度が５００ｃｍ^２／Ｖｓ以上であることが好ましい。不純物としては周期律表第１４族（第４ｂ族）元素が用いられ、Ｓｉが好適に用いられる。

ｎ⁻−ＧａＮ基板上の一方のＧａ面またはＮ面に、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法などの公知の成膜手法にて、ｎ^＋−ＧａＮ層が形成される。当該ｎ^＋−ＧａＮ層の不純物濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３、より好ましくは１×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３、キャリア移動度は１５０ｃｍ^２／Ｖｓ〜２５０ｃｍ^２／Ｖｓであることが好ましく、厚みは５０ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましい。

ｎ^＋−ＧａＮ層の上に電子ビーム蒸着法等にてオーミック電極を形成する。オーミック電極としては、例えば、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（この順に膜形成）なる構成の電極が形成される。各層の厚みは１０ｎｍ〜２００ｎｍである。

ｎ⁻‐ＧａＮ基板の他方のＮ面またはＧａ面の素子中央部となる領域以外にはＳｉＯ_２等の絶縁層あるいはＰ型ＧａＮ層を形成することが好ましい。ＳｉＯ_２等の絶縁層あるいはＰ型ＧａＮ層が形成されない素子中央部の領域にショットキー電極が形成される。たとえば、ショットキー電極としては、例えば、Ｎｉ／Ａｕ（この順に膜形成）なる構成の電極が形成される。各層の厚みは１０ｎｍ〜２００ｎｍである。

（実施例１：ｎ⁻‐ＧａＮ基板のＮ面にｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、ショットキー電極側にＳｉＯ_２形成）
基板として２インチ径の厚み３２５μｍの（０００１）面ｎ⁻−ＧａＮ単結晶基板（不純物濃度：５x１０^１６ｃｍ^−３、移動度：７００ｃｍ^２／Ｖｓ、Ｇａ面及びＮ面ともに鏡面研磨）を用い、これを所定のＭＯＣＶＤ装置の反応菅内に設置した。ＭＯＣＶＤ装置は、キャリアガスあるいは反応ガスとして、少なくともＨ_２、Ｎ_２、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３及びドーパントとしてＳｉＨ_４(モノシラン)が、反応管内に供給可能とされている。キャリアガスとして、水素を流量２０ＳＬＭ、及び窒素を流量１０ＳＬＭで流しながら、反応管内の圧力を７６０Ｔｏｒｒに保ちつつ、基板を１１３０℃まで昇温した後、１０分間保持し、ｎ⁻−ＧａＮ基板のＮ面に対してサーマルクリーニングを実施した。その後、基板温度を１１３０℃に保ちつつ、ＴＭＧとそのキャリアガスである水素を供給するとともに、ＮＨ_３とそのキャリアガスである水素及びＳｉＨ_４とを供給することにより、不純物濃度が２x１０^１８ ｃｍ^-３、膜厚０.１μｍのｎ^＋−ＧａＮ層をｎ⁻−ＧａＮ基板のＮ面上に形成した。供給反応ガスのモル比、すなわち、第５族ガス／第３族ガス（ＮＨ_３／ＴＭＧ）の比は２０００とし、反応管内の圧力は７６０Ｔｏｒｒ、ＳｉＨ_４の流量は２０ＳＣＣＭとした。
ｎ^＋−ＧａＮ層を形成後、ｎ^＋−ＧａＮ層のＮ面に電子ビーム蒸着法を用いて、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ(２０/１２０/４０/５０ｎｍ)を形成し、さらに８００℃で３０秒間アニールして、オーミック電極を形成した。その後、ドリフト層であるｎ⁻−ＧａＮ基板のＧａ面上に電子ビーム蒸着法により、ショットキー電極中央部を除いて絶縁膜ＳｉＯ_２を厚み１００ｎｍ形成した。さらに、フォトリソグラフィ技術とリフトオフ法を用いてショットキー電極としてＮｉ／Ａｕ (５０/１００ｎｍ)を電子ビーム蒸着法により形成した。ショットキー電極サイズは１×１ｍｍ^２とした。
上記のように、オーミック電極およびショットキー電極を形成したショットキーダイオード素子（図４参照）の順方向及び逆方向の電流−電圧特性を測定した。その結果を、図５および図６に示す。立ち上がり電圧：１.９３Ｖ、順方向電圧：３.０Ｖ（＠順方向電流：８Ａ）、耐圧：４.１ｋＶであった。

（実施例２：ｎ⁻‐ＧａＮ基板のＧａ面にｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、ショットキー電極側にＳｉＯ_２形成）
実施例１と同じｎ⁻−ＧａＮ基板を用い、ｎ⁻−ＧａＮ基板のＧａ面に対して実施例１と同様にサーマルクリーニングを実施した。その後、実施例１と同じ条件で、同じ不純物濃度２x１０^１８ ｃｍ^-３ _、膜厚０.１μｍのｎ^＋−ＧａＮ層をｎ⁻−ＧａＮ基板のＧａ面上に形成した。
ｎ^＋−ＧａＮ層を形成後、ｎ^＋−ＧａＮ層のＧａ面に電子ビーム蒸着法を用いて、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ(２０/１２０/４０/５０ｎｍ)を形成し、さらに８００℃で３０秒間アニールして、オーミック電極を形成した。その後、ドリフト層であるｎ⁻−ＧａＮ基板のＮ面上に電子ビーム蒸着法により、ショットキー電極中央部を除いて絶縁膜ＳｉＯ_２を厚み１００ｎｍ形成した。さらに、フォトリソグラフィ技術とリフトオフ法を用いてショットキー電極としてＮｉ／Ａｕ (５０/１００ｎｍ)を電子ビーム蒸着法により形成した。ショットキー電極サイズは１×１ｍｍ^２とした。
上記のように、オーミック電極およびショットキー電極を形成したショットキーダイオード素子（図７参照）の順方向及び逆方向の電流−電圧特性を測定した。その結果を、図８および図９に示す。立ち上がり電圧：１.７３Ｖ、順方向電圧：２.６７Ｖ（＠順方向電流：８Ａ）、耐圧：４.２ｋＶであった。

（実施例３：ｎ⁻‐ＧａＮ基板のＮ面にｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、ショットキー電極側にＰ−ＧａＮ形成）
実施例１と同じ条件で、ｎ⁻−ＧａＮ基板のＮ面にｎ^＋−ＧａＮ層を形成した。一方、ｎ⁻−ＧａＮ基板のＧａ面上にＳｉＯ_２膜（１００ｎｍ）を全面に成膜した。その後、部分的にＳｉＯ_２膜を除去し、ＳｉＯ_２膜以外の部分のｎ⁻−ＧａＮドリフト層をＲＩＥ装置（反応ガス：ＢＣｌ３、流量：１０ｓｃｃｍ、ガス圧：３Ｐａ、電力：５Ｗ、エッチング時間：１０分）を用いて選択的に０.１μm除去した。その後、ＳｉＯ_２膜をマスクとして、成長温度１０３０℃、圧力７６０Ｔｏｒｒ、第５族ガス／第３族ガス（ＮＨ_３／ＴＭＧ）の比は２７００、Ｃｐ２Ｍｇ（３００ｓｃｃｍ、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いて膜厚が０.１μmのＰ−ＧａＮ層の選択再成長を行った。そして、ＳｉＯ_２膜を除去した後、７５０℃、２０分間、窒素雰囲気中で活性化アニールを行った。そして、実施例１と同様の電極形成を行って、ショットキーダイオード素子（図１０参照）の順方向及び逆方向の電流−電圧特性を測定した。その結果を、図１１および図１２に示す。立ち上がり電圧：１.８７Ｖ、順方向電圧：２.８Ｖ（＠順方向電流：８Ａ）、耐圧：４.５ｋＶであった。

（実施例４：ｎ⁻‐ＧａＮ基板のＧａ面にｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、ショットキー電極側にＰ−ＧａＮ形成）
実施例２と同じ条件で、ｎ⁻−ＧａＮ基板のＧａ面にｎ^＋−ＧａＮ層を形成した。一方、ｎ⁻−ＧａＮ基板のＮ面上にＳｉＯ_２膜（１００ｎｍ）を全面に成膜した。その後、部分的にＳｉＯ_２膜を除去し、ＳｉＯ_２膜以外の部分のｎ⁻−ＧａＮドリフト層をＲＩＥ装置（反応ガス：ＢＣｌ３、流量：１０ｓｃｃｍ、ガス圧：３Ｐａ、電力：５Ｗ、エッチング時間：１０分）を用いて選択的に０.１μm除去した。その後、ＳｉＯ_２膜をマスクとして、成長温度１０３０℃、圧力７６０Ｔｏｒｒ、第５族ガス／第３族ガス（ＮＨ_３／ＴＭＧ）の比は２７００、Ｃｐ２Ｍｇ（３００ｓｃｃｍ）を用いて膜厚が０.１μmのＰ−ＧａＮ層の選択再成長を行った。そして、ＳｉＯ_２膜を除去した後、７５０℃、２０分間、窒素雰囲気中で活性化アニールを行った。そして、実施例２と同様の電極形成を行って、ショットキーダイオード素子（図１０参照）の順方向及び逆方向の電流−電圧特性を測定した。その結果を、図１１および図１２に示す。立ち上がり電圧：１.６７Ｖ、順方向電圧：２.４７Ｖ（＠順方向電流：８Ａ）、耐圧：４.３ｋＶであった。

実施例１〜４における順方向及び逆方向の電流−電圧特性をまとめると、立ち上がり電圧：１.６７〜１.９３Ｖ、順方向電圧：２.４７〜３.０Ｖ（＠順方向電流：８Ａ）、耐圧：４.１〜４.５ｋＶ、であり、いずれも大電流化および高耐圧化に対応できていることが判った。

本発明は、ショットキーバリアダイオードに用いられる。

Claims (5)

1. ｎ⁻−ＧａＮ基板の一方の面がＮ面またはＧａ面のいずれか一方に、他方の面がその逆の面とし、当該一方の面に対してｎ^＋−ＧａＮ層を形成し、さらに当該ｎ^＋−ＧａＮ層上にオーミック電極を形成し、ｎ⁻−ＧａＮ基板の他方の面にショットキー電極を形成した、ｎ⁻−ＧａＮ基板をドリフト層とするショットキーバリアダイオード。
2. ｎ⁻−ＧａＮ基板の不純物濃度が２×１０^１５ｃｍ^−３〜２×１０^１７ｃｍ^−３である、請求項１に記載のショットキーバリアダイオード。
3. 前記ｎ^＋−ＧａＮ層の不純物濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^１９ｃｍ^−３である請求項１または２に記載のショットキーバリアダイオード。
4. 前記ｎ⁻−ＧａＮ基板のショットキー電極側表面に絶縁膜またはｐ‐ＧａＮ層が形成され、その一部が前記ショットキー電極と重なる請求項１〜３のいずれかに記載のショットキーバリアダイオード。
5. ｎ⁻−ＧａＮ基板が、ＨＶＰＥ法、Ｎａフラックス法、あるいはアモノサーマル法のいずれかで製造された請求項１〜４のいずかに記載のショットキーバリアダイオード。